高亮度矩陣式LED封裝挑戰(zhàn)和解決方案

　　矩陣式LED封裝能獲得更高流明每瓦的發(fā)光效率。在封裝高亮度矩陣式LED的時(shí)候，低溫共晶鍵合以及引線鍵合是兩道關(guān)鍵的步驟。

　　近幾年發(fā)光二極管（LED）的應(yīng)用在不斷增長，其市場覆蓋范圍很廣。包括像指示燈、聚光燈和頭燈這樣的汽車照明應(yīng)用，顯示背光和照相機(jī)閃光燈等照相功能，LED顯示器背光和投射系統(tǒng)等消費(fèi)產(chǎn)品，建筑物的特色照明和標(biāo)志等建筑應(yīng)用。LED亮度高、發(fā)光效率高且反應(yīng)速度快。由于功耗低，使用壽命長，放熱少且可發(fā)出彩色光等特點(diǎn)，已經(jīng)在很多方面替代了白熾燈。

　　隨著LED效率的不斷提高，產(chǎn)生的每瓦特流明量不斷增大，LED照明變得越來越接近實(shí)際。比如在2003年，一個(gè)相當(dāng)于3000lm的熒光燈管需要采用1300個(gè)以上的30lm/W LED才能獲得相當(dāng)?shù)男Ч?。但?005年，獲得同樣的熒光燈管發(fā)光效果所需的LED數(shù)目減少了20倍，只需50個(gè)左右，每個(gè)LED的發(fā)光效率為50lm/W或者更高，發(fā)光強(qiáng)度為60lm。

　　LED生產(chǎn)有四個(gè)環(huán)節(jié)，或者說涉及四個(gè)領(lǐng)域。第一個(gè)環(huán)節(jié)稱作產(chǎn)品環(huán)節(jié)0，指生產(chǎn)器件本身。產(chǎn)品環(huán)節(jié)1是一級(jí)封裝，這指的是通過芯片黏附和引線鍵合的方法將器件連接至電源上，形成表面貼裝封裝。產(chǎn)品環(huán)節(jié)2是指二級(jí)封裝。將多個(gè)一級(jí)封裝放在一起，形成像外部信號(hào)或室外照明燈應(yīng)用所需的光輸出。產(chǎn)品環(huán)節(jié)3是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或解決方案進(jìn)行系統(tǒng)封裝。

　　一級(jí)LED封裝包括單個(gè)LED和復(fù)雜的LED矩陣的封裝。在標(biāo)準(zhǔn)的LED陣列中，每個(gè)LED被連接至基板電極上，LED可分開處理或連接在一起。這種類型的封裝多數(shù)是利用環(huán)氧樹脂粘黏芯片。對(duì)于室外照明或背投屏幕照明等高亮度LED應(yīng)用，需要采用矩陣結(jié)構(gòu)的LED。在這種結(jié)構(gòu)里，LED被緊密地將行與列排列起來，以獲得盡可能多的光。圖1是LED矩陣圖，它們一起工作時(shí)可產(chǎn)生巨大的流明量。LED的數(shù)目和排列緊密程度要求芯片黏附材料的導(dǎo)熱性能良好，以保持LED盡可能低溫。

　　矩陣式LED封裝是生產(chǎn)中許多系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它們現(xiàn)在才流行起來是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)能獲得更多的流明每瓦功率。不過與單芯片封裝相比，矩陣式LED封裝對(duì)于芯片粘合和引線鍵合帶來了很大挑戰(zhàn)。高亮度LED應(yīng)用要求熱傳輸最大，才能滿足性能要求。

　　封裝高亮度LED

　　矩陣式LED工藝步驟包括材料準(zhǔn)備、芯片的拾放、脈沖回流、清潔、引線鍵合及測試。下面的討論將主要集中在脈沖回流（低溫共晶鍵合）和引線鍵合步驟。示例為9×8的290祄 LED矩陣，采用AuSn粘合法。LED在列方向電氣連接在一起。目標(biāo)是利用冶金共晶互連將LED和基板連在一起，根據(jù)部件容差（約1mil的空隙）將LED盡可能緊密地布置。圖2所示為該290祄 LED矩陣。

圖1. 矩陣式LED

圖2. 在引線鍵合前將290祄 LED矩陣黏附至AuSn上

　　脈沖回流

　　LED封裝工藝的關(guān)鍵，是避免在二極管及其基板的共晶焊料處生成孔洞，產(chǎn)生穩(wěn)定光傳輸所需的熱連接和電連接由焊料完成。共晶芯片粘合劑將二極管產(chǎn)生的巨大熱能傳輸出去，以保持器件的熱穩(wěn)定性?？刂乒簿д澈瞎に囀谦@得高成品率和可靠性的關(guān)鍵。

　　精確的共晶部件粘合包括三點(diǎn)：二極管的拾放，利用可編程的x、y或z軸方向攪拌法對(duì)成型前或鍍錫前的器件進(jìn)行在位回流，以及可編程脈沖式加熱或穩(wěn)態(tài)溫度。要獲得優(yōu)化的熱傳導(dǎo)焊接界面，粘合工藝的溫度曲線必須是可重復(fù)的，具有高溫上升速率的能力。當(dāng)界面溫度升高至適當(dāng)?shù)墓簿囟葧r(shí)，加熱機(jī)制必須保持在設(shè)定好的溫度下，溫度過沖要盡可能小。經(jīng)過一定的回流時(shí)間后，系統(tǒng)將控制加熱機(jī)制冷卻下來，將二級(jí)管的損傷減至最小，這樣共晶材料就能達(dá)到冶金平衡。這種平衡是通過同時(shí)應(yīng)用有源熱電脈沖加熱和冷卻氣體來實(shí)現(xiàn)的。

　　LED矩陣封裝是對(duì)溫度非常敏感的工藝，在封裝過程中需要謹(jǐn)慎控制。在設(shè)計(jì)在位共晶芯片粘合工藝的回流溫度曲線時(shí)，需要提供恒定的熔化和無孔洞粘合界面——這對(duì)于二極管的溫度平穩(wěn)輸出以及在LED工作時(shí)保持溫度穩(wěn)定是必要的。

　　本例采用了金屬線加固脈沖熱量回流。在脈沖加熱周期中，利用一個(gè)伺服系統(tǒng)控制的上升曲線使溫度從預(yù)熱溫度上升到回流溫度，與傳統(tǒng)的加熱器相比，這樣溫度過沖會(huì)很低。溫度曲線的可重復(fù)性對(duì)該工藝而言是很關(guān)鍵的，它可進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓簿Ы?，使孔洞極少且不會(huì)損傷LED。所需的溫度曲線取決于基板所使用的材料、基板的尺寸和焊料的成分。采用只需點(diǎn)擊操作的可編程曲線進(jìn)行浸潤，形成溫度命令曲線。該系統(tǒng)在引線鍵合過程中捕捉實(shí)際的溫度曲線，具有工藝可追溯性。脈沖式加熱曲線控制使得LED矩陣可進(jìn)行批回流，降低了整體周期時(shí)間并使高溫時(shí)間盡可能的短，可保護(hù)對(duì)溫度敏感的LED器件。

　　引線鍵合

　　一旦LED粘合后，采用鍵合線完成互連。高密度、高頻率的LED矩陣格式要求LED采用金屬線進(jìn)行互連。盡管有多種引線鍵合的方法，如球形焊和楔形焊，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明采用球形焊接機(jī)進(jìn)行的鏈狀焊互連可獲得最好的結(jié)果。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的球形/針腳焊，先形成球形，再將引線拉至針腳處鍵合，形成LED的互連。鏈形鍵合是球形/針腳焊的變體，針腳并不是終端，在它的上面又進(jìn)行了線圈-針腳復(fù)合，以完成鏈?zhǔn)揭€鍵合組。圖3顯示了利用引線鍵合機(jī)進(jìn)行鏈?zhǔn)胶附樱O(shè)置一個(gè)球-線弧-中間針腳-線弧-中間針腳-線弧。最后是一個(gè)線弧針腳，在每個(gè)終端針腳上形成一個(gè)球形針腳保證連接。這并不是全新的技術(shù)，但通過材料選擇和軟件工具對(duì)它做進(jìn)一步的開發(fā)。鏈形焊使得產(chǎn)率更高，因?yàn)樗纬蓸?biāo)準(zhǔn)球形焊不必要形成無空氣球體。此外由于鏈形焊針腳的形狀，它存在的光閉塞會(huì)較少；并且拉力測試結(jié)果也證明它具有更好的拉拔強(qiáng)度。

圖3. 具有安全連接的鏈狀焊

　　LED的矩陣式組裝可獲得更大發(fā)光強(qiáng)度、更高亮度的LED。由于熱的高濃度以及要求高頻引線鍵合連接，這種結(jié)構(gòu)對(duì)封裝構(gòu)成了挑戰(zhàn)。在LED密集的區(qū)域中必須精確放置鍵合線，這種連接擁有穩(wěn)定的線弧形狀，由于熱擾動(dòng)幅度較大，連接強(qiáng)度還應(yīng)足夠強(qiáng)，以承受機(jī)械沖擊和應(yīng)力。封裝工藝中有三個(gè)步驟很關(guān)鍵。第一個(gè)步驟是高度精確地拾放芯片，能在LED的幾何公差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)矩陣式LED應(yīng)用。第二，有必要使用脈沖式加熱控制批共晶回流芯片粘合工藝進(jìn)行組裝生產(chǎn)、LED保護(hù)并獲得較好的熱導(dǎo)性，以及低風(fēng)險(xiǎn)、高質(zhì)量的產(chǎn)品性能。第三，鏈?zhǔn)竭B接為所有的LED提供極好的陣列電氣和機(jī)械連接。堅(jiān)持采用這些封裝工藝可獲得高亮度以及較好的散熱效果，實(shí)現(xiàn)最大的出光效率。